土壤养分循环

第十章土壤养分循环
土壤养分循环：是指在生物参与下，营养元素从土壤到生物，再从生物回到土壤的循环过程，是一个复杂的生物地球化学过程。

土壤元素通常可以反复的再循环和利用,典型的再循环过程包括：
（1）生物从土壤中吸收养分
（2）生物的残体归还土壤
（3）在土壤微生物的作用下，分解生物残体，释放养分
（4）养分再次被生物吸收
一、土壤氮素循环
（一）氮素循环由两个重叠循环构成，一是大气层的气态氮循环，几乎所有的气态氮对大多数植物无效，只有若干种微生物或少数与微生物共生的植物可以固定大气中的有效氮。

另一个是土壤氮的循环，即在土壤植物系统中，氮在动植物体、微生物体、土壤有机质、土壤矿物质各分室中的转化和迁移，包括有机氮的矿化和无机氮的生物固持作用、粘土对氨的固定和释放作用、硝化和反硝化作用、腐殖质形成和腐殖质稳定化作用。

（二）土壤的氮的获得（来源）
1土壤氮的获得（来源）
（1）土壤母质中的矿质元素
（2）大气中分子氮的生物固定
大气和土壤空气中的分子态氮不能被植物直接吸收、同化，必须经生物固定为
有机氮化合物，直接或间接地进入土壤。

（3）雨水和灌溉水带入的氮
灌溉水带入土壤的氮主要是硝态氮形态，其数量因地区、季节和降雨量而异。

大气层发生自然雷电现象，可使氮氧化成NO2及NO等氮氧化物。

（4）施用有机肥和化学肥料
2土壤N存在形态
土壤无机态氮主要是铵态氮和硝态氮，是植物能直接吸收利用的有效态氮。

有机态氮是土壤氮的主要存在形态，一般占土壤全量氮的95%以上，按其溶解度的大小及水解的难易分为水溶性有机氮、水解性有机氮和非水解性有机氮三类。

土壤溶液中的铵、交换性铵和硝态氮因能直接被植物根系所吸收，常总被称为速效态氮。

3土壤中氮的转化
（1）有机态氮的矿化过程
含氮的有机化合物，在多种微生物的作用下降解为简单的铵态氮的过程
矿化过程：
第一阶段：把复杂的含氮化合物的含氮化合物，如蛋白质、核酸、氨基糖及其多聚体等，经过微生物酶的系列作用下，逐级分解而形成简单的氨基化合物，称之为氨基化阶段。

然后在微生物作用下，各种简单的氨化物分解成氨，称为氨化作用，氨化作用可在不同条件下进行。

（2）硝化过程
有机氮矿化释放氨（氨、胺、酰胺）在土壤中转化为铵离子，铵离子通过微生物作用氧化成亚硝酸盐和硝酸盐，再把亚硝态氮转化为硝态氮的作用称为硝化作用。

（3）无机态氮生物的固定
矿化作用生产的铵态氮、硝态氮和某些简单的氨基态氮，通过微生物和植物的吸收同化，成为生物有机体组成部分，称为无机氮的生物固定。

（4）铵离子的矿物固定
指的是离子直径大小与2：1型粘粒矿物晶架表面孔穴大小接近的铵离子，陷入晶架表面的孔穴内，暂时失去了它的生物有效性，转变为固定态铵过程。

4土壤氮的损失
（1）淋洗损失
铵（NH4+）和硝酸盐（NO3-）在水中溶度很大，易被淋洗，随着渗漏水的增加，硝酸盐的淋失增大。

土壤氮还可以随地表径流进入河流、湖泊等水体中，由地表水径流带走的氮除硝酸盐外，还有土壤粘粒表面的铵离子和部分的有机氮。

通过淋洗或径流进入地下水或河、湖的氮，能引起水体富营养化。

（2）气体损失
土壤氮可通过两个机制形成气体氮逸出进入大气，它们是反硝化作用和氨挥发。

（1）反硝化作用：在嫌氧条件下，硝酸盐在反硝化微生物作用下，还原为N2、N2O 或NO的过程称为反硝化作用。

（2）氨挥发：氨挥发易发生在石灰性土壤上，特别表施铵态氮和尿素等化学氮肥时。

（3）土壤中的含氮化合物还可能通过纯化学反应形成气态氮而损失。

5土壤氮的调控
土壤氮素调控是指人为活动的调节管理，即通过科学合理施肥、耕作、灌溉等措施，发挥土壤氮素的潜在作物营养功能，以满足作物高产量、高效益和优良品质的需要。

矿质氮素的纯矿化量：有机氮的矿化量与矿质氮固定量之差。

（1）C/N比
有机营养型微生物在分解有机质使之矿化过程中，需要以有机质中所含的碳作为能源，并利用碳源作为细胞体的构成物质，同时在营养上还需氮的供应，以保持细胞体构成中C/N比例的平衡。

氮的来源除由有机质供应外，还可吸取利用土壤中的铵态或硝态氮，以补其不足。

如果有机质本身所含C/N比值超过某一定数值，微生物在有机质矿化过程中就会产生氮素营养不足的现象，其结果使土壤原有矿质态有效氮也被微生物吸收而被同化，这样植物不仅不能从有机质矿化过程中获得有效氮的供应，而相反地会使土壤中原来所含的有效氮也暂时失去了植物的有效性，结果产生了土壤有效氮素的所谓微生物同化固定现象。

另一方面，如果有机质C/N比值小于某一值，则情况就恰恰相反，这是矿化作用结果产生的纯矿化氮较高，除满足微生物自身在营养上的同化需要外，还可提供给植物吸收利用。

在实施秸秆还田时，应同时注意速效氮肥的补充。

（2）施肥的影响
施肥促进土壤有机质的矿化作用表现在：一是施用新鲜的有机物质如秸秆、绿肥等，能激发土壤原来有机质的分解，这称为激发效应。

加入新鲜有机能源物质，引发了原来腐殖质的分解，增强了它的矿化作用。

二是施用矿质氮肥也能促使原来土壤有机氮的分解、释放，也称为激发效应。

（3）淹水、灌溉的影响
在水田剖面的不同层次上，氮素的形态不同；在水田中无机氮素以铵态氮为主；反
硝化作用明显。

二、土壤磷和硫的循环
（一）土壤磷的形态和数量
（1）无机磷化合物：土壤中无机磷种类较多，成分较复杂，大致可分为：水溶态、吸附态和矿物态。

水溶态磷除解离或络合的磷酸盐外，还有部分
聚合态磷酸盐以及某些有机磷化合物。

吸附态磷指的是那些通过各种作
用力被土壤固相表面吸附的磷酸根或磷酸阴离子。

石灰性土壤中主要是
磷酸钙盐，酸性土壤以磷酸铁和磷酸铝盐为主。

（2）有机磷化合物
土壤有机磷的变幅很大，可占表土全磷的20%-80%。

（二）土壤磷循环与转化
1土壤磷的循环
磷与土壤矿物质紧密结合，除了随土壤侵蚀通过地表径流流失损失外，土壤中
磷的淋失损失几乎可以忽略不记。

磷循环主要在土壤、植物和微生物中进行，
其过程为植物吸收土壤有效态磷，动植物残体磷返回土壤再循环；土壤有机磷
（生物残体中磷）矿化；土壤固结态磷的微生物转化；土壤粘粒和铁铝氧化物
对无机磷的吸附解吸，溶解沉淀。

2土壤磷的转化
土壤磷的转化包括一系列复杂的化学和生物化学反应过程，归纳起来主要是沉
淀和溶解反应，吸附和解吸反应，以及有机磷的矿化和无机磷的生物固定。

（1）成土过程中磷的转化
自然成土过程中随着成土时间的推移，矿物风化释放磷被新生矿物吸附、
固定，使土壤钙结合态磷逐渐降低，铁、铝磷酸盐逐渐增加。

随着成土
过程的发展、分化程度高的砖红壤铁磷含量最高，其次为铝磷、钙磷的
含量较少。

风化程度居中的黄棕壤，无机磷组成属于过度类型。

同时在
这转化过程中，有机磷随腐殖质的增加而积聚，成为土壤中磷的重要成
分。

（2）施入耕地土壤中可溶性磷酸盐的转化
可溶性化学磷肥（磷酸二氢钙）施入土壤后，很快转变为不溶性或缓效
磷，称为固磷作用。

磷肥在土壤中的生物利用率低。

这是因为施如土壤
的可溶性磷与铁、铝氧化物和水化氧化物，层状硅铝酸盐、碳酸钙以及
钙、铁、铝等发生沉淀反应和吸附反应。

在石灰性土壤中，通过一系列
的沉淀反应最后称为羟基磷灰石或氟磷灰石。

在酸性土壤中最后则称为
磷酸铁、铝。

3土壤磷的调节
（1）活性磷和磷的固定
只有那些不溶性磷化合物和保持在粘粒或有机质中的固持态磷才称为固定态的磷，
又称为非活性磷。

土壤中可被植物吸收利用的磷组分称为土壤的有效磷。

（2）提高土壤磷的有效性的途径
（1）调节土壤酸碱度：Ph6.5-6.8之间为宜，可减少磷的固定作用，提高土壤磷的有效性。

（2）增加土壤有机质
a有机阴离子与磷酸根竞争固相表面专性吸附点为，从而减少了土壤对磷的
吸附
b有机物分解产生的有机酸和其它螯合剂的作用，将部分固定态磷释放为可
溶态
c腐殖质可在铁、铝氧化物等胶体表面形成保护膜，减少对磷酸根的吸附
d有机质分解产生CO2,溶于水形成H2CO3,增加钙、镁、磷酸盐的溶解度（3）创造土壤淹水环境：a酸性土壤pH上升促使铁、铝形成氢氧化物沉淀，减少它们对磷的固定；碱性土壤pH有所下降，能增加磷酸钙的溶解度；反之，
若淹水土壤落干，则导致土壤磷的有效性下降。

b土壤氧化电位下降，高价铁还原成低价铁，磷酸低铁的溶解度较高，增加
了磷的有效度
c包被于磷酸表面铁质胶膜还原，提高了闭蓄态磷的有效度。

（三）土壤硫的含量和形态
土壤中的硫可分为无机态硫和有机态硫两类。

无机态硫包括：
（1）难溶态硫：黄铁矿、闪锌矿、石膏
（2）水溶性硫：主要为SO42-及游离的硫化物等
（3）吸附态硫：土壤矿物胶体吸附的SO42-，与溶液SO42-保持着平衡，吸附态硫容易被其他阴离子交换。

有机硫：主要存在与动植物残体和腐殖质中，以及一些微生物分解形成的较简
单的有机化合物中。

（四）土壤硫的循环及转化
1土壤硫的输入主要途径有：
（1）大气无机硫的沉降
（2）含硫矿物质和生物有机质
矿物质肥包括过磷酸钙、硫酸铵、硫酸钾、硫酸镁、石膏。

含硫的生物
有机质包括各种动植物残体，经过矿化作用释放出无机硫。

2土壤硫的输出：主要是植物吸收和土壤淋洗，土壤在还原条件下形成的硫化
氢易挥发损失。

3土壤S的转化
（1）有机硫的矿化和固定
有机硫的矿化和固定是一个可逆反应，受土壤pH、湿度、温度、通气状
况等多重因素的影响。

有机质的C/S<300-400,则有利于有机硫的矿化，
而C/S>300-400,则有可能产生生物固硫。

（2）矿物质的吸附和解吸
在富含铁、铝氧化物和水化氧化物、水铝英石及1：1型粘粒矿物为主
的土壤，硫酸根有可能被带正电荷的土壤胶体所吸附，但容易被其他阴
离子交换。

（3）硫化物和元素硫的氧化
土壤Eh和pH值是影响硫化物氧化的重要因素。

排水不良还原性强的土
壤，以及酸度高度土壤，均不利于硫的生物氧化反应进行。

但硫化物或
元素硫的氧化结果都产生H2SO4，从而导致土壤酸化。

三、土壤中钾钙镁
土壤钾按化学组成可分为矿物钾、非交换性钾、交换性钾和水溶性钾。

按植物营养有效性可分为无效钾、缓效性钾和速效钾。

1矿物钾：土壤中含钾原生矿物和含钾次生矿物的总称。

在植物营养上不能为植物吸收利用，属无效钾。

2非交换性钾：是指存在于膨胀性层状硅酸盐矿物层间和颗粒边缘上的一部分钾。

是评价土壤供钾潜力的一个重要指标。

3交换性钾：指吸附在负电荷胶体表面的钾离子。

4水溶性钾（溶液钾）：水溶性钾是以离子形态存在于土壤溶液中的钾，能被植物直接吸收利用。

（二）土壤钾的转化及其调节
1土壤中各种形态钾的转化
（1）矿物钾与其它形态钾的平衡
含钾原生矿物通过风化作用转变为非交换钾、交换钾，或释放出钾离子。

在地球陆地表面热力学条件下，含钾矿物的风化作用是一个相当缓慢的过程，通过风化作用直接转化成速效钾（交换性钾+水溶性钾）的贡献是微不足道的。

（2）交换性钾与水溶性钾的平衡
土壤水溶性钾和交换钾在植物营养上统称速效钾。

溶液钾与交换性钾处于动态平衡，溶液中钾离子与其它交换性阳离子的比值降低时，部分交换性钾便立即转入土壤溶液中，此平衡可瞬时内完成。

（3）非交换钾与速效钾的平衡
土壤非交换钾，在植物营养上又称为缓效性钾。

非交换钾虽很难被植物直接吸收利用，但非交换钾与交换性钾处于平衡之中，当土壤中速效钾被植物吸收利用后，缓效钾可以缓慢地释放补充速效性钾。

反过来，当土壤速效钾含量较高、钾离子饱和度较大时，受2：1型层状硅酸盐矿物晶格底面的电荷引力作用，钾离子陷入六角形网眼中，使速效钾转化为缓效性钾，把钾闭蓄起来。

2土壤钾的固定及其影响因子
土壤钾的固定作用主要是交换性钾转变成非交换性钾的过程。

在土壤条件变化时，如干湿胶体、冻融交替、灼烧等，被土壤吸附在晶层表面的代换性钾就会掉进晶穴里，当晶层间距变小，钾离子便被封闭在里面。

影响土壤钾固定的因素主要有：
（1）粘粒矿物的类型
（2）土壤质地
（3）土壤水分条件
（4）土壤酸碱度等
3土壤钾的释放及影响因素
土壤钾的释放是指土壤中非交换性钾转变为交换性钾和水溶性钾的过程。

它关系到土壤中速效钾的供应和补给问题。

释放过程首先是由自然因素引起的，但也可用人为措施来调节。

（1）释放过程主要是非交换性钾（缓效性钾）转变为交换性钾（速效性钾）的过程（2）只有当土壤交换性钾减少时，非交换性钾才释放为交换性钾，释放量随交换性钾含量下降而增加。

（3）各种土壤的释钾能力不同，主要决定与土壤中非交换性钾的含量水平。

（4）干燥、灼烧和冰冻对土壤中钾的释放有显著影响。

（三）土壤中的钙和镁
我国华北和西北地区土壤因含钙、镁的碳酸盐和硫酸盐丰富，土壤溶液中的钙、镁离子已足够植物生长的需要。

华南的酸性土壤则不含碳酸钙、镁，也不含石膏，土壤有效态钙、镁就要依靠含钙、镁的铝硅酸盐矿物的风化来提供，它们所提供的钙、镁离子量比前一种情况少了许多。

再
加上南方多雨，土壤的阳离子交换量低，风化溶解出来的少量钙、镁离子，将大部分被雨水淋失。

所以，对酸性较强的土壤如不适施用石灰或钙、镁矿质肥料，就可能缺钙、镁。

四、土壤中微量元素循环
1土壤中微量元素主要来自岩石和矿物，还来自大气，耕地土壤施肥是一个重要来源。

此外，大量或中量元素肥料中也含相当数量的微量元素，施用石灰、有机肥、粪肥等都会带相当数量微量元素进入土壤。

微量元素的输出主要由植物吸收和收获物带走，淋洗和侵蚀导致它的损失。

2微量元素转化
成土过程，土壤母质中的微量元素经历一系列的化学和生物化学反应，使其形态和含量发生转化、移动和再分配，构成了土壤微量元素循环。

3土壤中微量元素的形态
水溶态，交换态，专性吸附态，有机态，铁、锰氧化物包被态，矿物态
4土壤中微量元素有效性及其影响因素
土壤中微量元素供给不足有两种情况，一是微量元素全量低；二是总量高，但有效量低。

影响微量元素有效性的因素很多，环境条件如酸碱度、氧化还原电位、质地、有机质含量和微生物活动等。

五、土壤养分平衡及有效性
1土壤养分的动态平衡
（1）土壤溶液与固相土壤胶体表面吸附的离子或分子、土壤有机质及生物有机体，以及土壤空气间相互影响，相互依存，土壤养分始终处在动态的平衡中。

（2）土壤溶液中的养分元素与土壤固相矿物处于平衡状态。

土壤矿物经风化、分解、释放的养分元素进入土壤溶液，如果与某种矿物有关的养分浓度变成过饱和时，
那么该矿物就会沉淀，直到保持平衡。

否则该矿物就会溶解，知道保持平衡。

（3）土壤溶液中养分元素与土壤胶体表面也保持着平衡。

溶液中的养分元素与土壤胶体的相互作用对于养分保持和利用有特殊重要性，土壤胶体表面有吸附、吸
持、吸收、解释、交换等不同反应机理，由于吸附机理很复杂，吸附态养分的
有效性也有较大的差别。

（4）土壤溶液的养分元素与有机质、微生物体之间保持着平衡。

有机态养分的矿化和矿化产物的生物同化固定为可逆过程。

但矿化与固定两个过程的程度一般是
不等的，当矿化大于固定时土壤有效养分高，反之，土壤的有效养分低。

（5）土壤气体也趋向于同土壤溶液保持平衡
（6）土壤溶液中养分元素与植物生长也趋向保持某种平衡关系。

在作物生产中，植物从土壤溶液中吸取矿质营养，养分元素随着农产品源源不断的从土壤中输出，
这就需要对土壤溶液补给“缺乏”的元素，以维持它们之间的某种平衡。

2土壤中养分向植物根的移动
（1）截获
由于根系的发育，穿透土壤伸展至土壤粘粒表面，根系与粘粒表面吸附的离子
接触交换称截流，它是通过接触交换而不经土壤溶液移动直接吸收养分离子。

（2）质流
由植物蒸腾作用引起水分及有效养分向根表的移动称之为质流。

质流引起的移
动对于非吸附态离子是非常重要的。

（3）扩散
通过土壤水溶质运动，养分从高浓度向低浓度区域的移动。

3养分位：是把养分的有效性和化学位联系起来，即用化学位来衡量养分的有效度。

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